单相光伏并网逆变器的研究

国网浙江海盐县供电有限公司 吴桂萍 徐张健 孙 帅 沈哲苹 陆建琴

1 引言

随着世界经济的高速发展和人口的快速膨胀，化石燃料的消耗日益增多，由此带来的能源危机和环境危机已成为世界各国的难题。因此，开发和利用可再生清洁能源成为当今研究热点。光伏发电技术作为一种能量来源取之不竭、用之不尽的新技术，得到了各国官员和专家的重视。并网逆变器作为光伏发电系统和电网之间的接口设备，其控制技术是光伏发电的核心技术。本文以单相光伏并网逆变器的控制技术为研究对象，采用了电压外环电流内环的控制策略，并引入电压前馈解耦改善了系统的抗扰动性能。

电压控制采用PI控制，这是因为直流母线电压Udc如果太低，无法满足逆变器的直、交流的变化关系，而如果太高，则电容和开关管容易损坏。所以，系统中需要加入电压外环PI控制来稳定直流母线电压。

电流控制采用PR控制。该控制器在基波频率处增益为无穷大，在非基频处增益很小。因此，PR控制可实现对基频参考正弦电流实现无静差跟踪。

整个单相光伏并网逆变器的原理框图如图1所示。图1中PLL为锁相环(Phase Lock Loop)。

图1 单相并网逆变器原理框图

图2 单相并网逆变器结构图

2 并网逆变器工作原理

2.1 并网系统数学模型

单相光伏并网逆变器的硬件结构结构如图2所示。其中L为交流输出滤波电感，C为与光伏电池并联的稳压电容；V1～V4是带有反并联二极管的主开关管IGBT；R为电感L和线路的等效串联电阻；Udc为直流输入电压，即光伏电池的输出电压值；us是逆变器输出电压；ugrid为电网电压；igrid为并网电流。

由图2可得到单相并网逆变器的数学模型，如图3所示。为了便于分析，将逆变环节等效为一个增益环节K。图3中，G(s)电流控制器传递函数，Iref为并网电流正弦参考信号。

图3 并网逆变器系统模型

2.2 并网逆变器电流控制策略

根据图3可推出并网电流的传函如式(1)所示：

其中电流控制器采用PR控制器[1]且：

由式(1)可以看出，并网电流与参考电流和电网电压有关。若采用PI控制，因为PI控制器在基波频率ω0处的增益是有限的，由式(1)可知，输出电流不等于参考电流，系统存在稳态误差。而采用PR控制，则PR控制器在基波频率ω0处的增益为：

由式(3)可知增益趋于无穷大，所以式(1)可以简化为Igrid=Iref。因此PR控制器可以实现零稳态误差追踪参考电流信号。在实际应用中，由于PR控制实现有难度，通常采用容易实现的准PR控制器，其传递函数如式(4)[2]：

其中kp为比例增益，kr为积分增益，ωc为截止频率；ω0为谐振频率，在本文为电网电压角频率。

本文中设置kp=10，kr=50，ωc=2.5rad/s，ω0=314rad/s。

2.3 电压前馈控制

由式(1)可知，系统还存在来自电网电压Ugrid的扰动，电网电压的畸变或波动会影响并网电流质量。

为了进一步改善并网电流的质量，本文引入了电网电压前馈控制[3]。控制结构图如图4所示。

图4 电网电压前馈控制原理图

根据图4得到并网逆变器输出电流的传递函数为：

由式(5)可得并网输出电流只与参考电流有关，电网电压对并网电流的影响被完全消除。

4 仿真结果分析

为了验证本文控制策略的可行性，在Simulink中建立单相光伏本文逆变器仿真模型。仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数

图5 并网电流波形图

图6 并网电流傅里叶分析

图5和图6所示为并网电流波形图及其傅里叶分析，其中并网电流为方便观察按5倍比例放大。由图可知，并网电流正弦度良好，与电网电压同频率同相位，总谐波畸变率THD=3.95%，符合THD<5%的国家标准。

图7所示为电网电压突变时的并网电流波形。仿真时设置电网电压在0.2s时幅值由311V突变为300V，并网电流无较大波动，可以看出系统动态性能良好，抗电网电压扰动能力较强。

图7 电网电压突变时并网电流波形

4 结论

本文以单相光伏本文逆变器为研究对象，研究了基于PI电压控制和PR电流控制的控制策略，并引入电网电压前馈控制策略，增强系统对电网电压抗扰动能力。最后通过Simulink仿真验证了控制策略的正确性和有效性。

[1]王杰,亓迎川,朱子梁,潘宇航.PR调节器在SPWM逆变器中的应用[J].空军雷达学院学报,2009,04:278-280.

[2]赵清林,郭小强,邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报,2007,16:60-64.

[3]毛艳芳,等.单相逆变器双环控制改进策略研究.电测与仪表,2014(08):69-74